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第60集 回望我国集成电路的发展

第60集 回望我国集成电路的发展 0:00
最新发布时间: 2022-06-22
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  大约在70多年前,当物理学家沃尔特·布拉顿像往常一样写下他的实验日记,他不曾预料,一个时代即将开启。 

  在沃尔特记录下的这场实验中,主角是一个比火柴棍短且粗的半导体放大器。后来,它被命名为点接触式晶体管。点接触式晶体管成了人类打开晶体管大门的第一把钥匙。而这扇大门推开后,迎来的是一场信息技术的大变革。今天的节目,我们就从晶体管开始说起。 

  随着微电子技术的不断发展,晶体管已经变得几乎无处不在。它是一种固体半导体器件,科学家们把它当做砖瓦,搭建出一个个虚拟世界。以晶体管为基础的集成电路,被人长期依赖。 

  晶体管诞生之前,已经有了电子管,或者叫真空管。电子管具有信号放大作用,但是存在一些短板,例如,寿命短、体积大、可靠性也比较差。所以,科学家们希望找到一种器件替代电子管。这个探寻过程,我们需要先来了解一下美国的贝尔实验室。 

  贝尔实验室在1925年创建。成立初期,它是世界上规模最大的工业实验室。3600名工作人员中,有2000名是技术人员。 

  20世纪四五十年代,为了适应时代的发展环境,贝尔实验室进行了各个研究部门的改组。这次改组中,物理部门成立了3个研究小组,其中之一就是固体物理研究组。这个组又分为半导体和冶金两个小组,麻省理工大学博士肖克莱兼任半导体小组组长。他小组的研究计划,定为研制“半导体放大器”。半导体指的是常温下导电性能介于导体和绝缘体之间的材料,比如硅和锗,就是常见的半导体材料。 

  贝尔实验室对晶体管的构思由来已久。晶体管的诞生,是长期积累的结果。在清华大学微电子所所长魏少军看来,要理解晶体管的工作原理,可以想象一个大坝的水闸。当大坝闸门合上,没有水流出,水力发电机就没有办法发电;当闸门打开,水流涌出,水力发电机就可以输出电流。闸门的开合直接影响到了水力发电机的运转,这就是用一个弱信号,去控制了一个强信号。而晶体管的基本原理,就是“放大”,用小电流去控制大电流。 

  在提到晶体管的重要性时,魏少军这样说道:“从移动计算到智能计算,当今时代的种种变化,都离不开电子信息系统。而晶体管,是其中最为基础的器件。晶体管之于信息革命,如同铁器之于农业革命,如同蒸汽机之于工业革命,它的重要性怎么强调都不为过。” 

  在物理学家眼中,晶体管应该被拿来做更多的事情。不过前提是,它要足够小。所以,如何找到一种高效的晶体管、导线和其他器件的连接方法,是研究人员面临的直接问题。 

  大约在1958年左右,美国的两名年轻人提供了自己的方案,也就是我们今天已经熟知的集成电路。如果说,晶体管的诞生,是蝴蝶扇动了翅膀。那么,我国也敏锐地嗅到了技术风暴来袭的信号。 

  事实上,我国集成电路的研发,起步也并不算晚。 

  20世纪50年代中期,也正是我国开始实施第一个五年计划期间。半导体这门新兴科学技术受到了高度重视。1956年,在没有技术资料和完整设备的条件下,我国成功研制出了首批半导体器件——锗合金晶体管。1965年的时候,我国又拥有了集成电路。 

  对于阶段性的技术发展,中科院微电子研究所所长叶甜春感慨道:“说起我国第一代半导体人,那真是非常了不起。他们带着知识归国,自己研制设备,自己制备材料,自己培养了第一批学生,完全白手起家。前20年,我国集成电路和国际上的差距并不大;但在第二个20年,道路开始曲折。差的不在技术,而是产业。这个时候,发展高新技术产业,可谓难上加难。产业发展不起来,技术研发也步履维艰,陷入恶性循环。我记得,1986年自己刚入集成电路这一行时,整个行业都处在痛苦的转型期。大家还在学习高质量低成本地批量制造产品,在混沌中摸索。 

  在20世纪八九十年代,国际集成电路产业开始快速发展。而我国在这一领域真正的转折点,发生在2008年。这一年,国家科技重大专项启动。例如,“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”、“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”等专项,都指向了集成电路。5年后,我国在这一领域的技术储备到了一定程度,加大产业投入,也就被提上议事日程。 

  到了2014年,我国发布《国家集成电路产业发展推进纲要》,这时,还专门设立国家产业投资基金。中科院微电子研究所所长叶甜春总结发展成果的时候,说出了自己的一些看法:“效果一下子就显现出来了。为什么能这么快?因为技术体系已经建立起来了,能支撑产业体系的快速发展了。这是一套组合拳,堪称完美。” 

  虽说我国集成电路的设计和制造,还处在起步发展阶段。但是,毕竟集成电路的发展,需要全球化的产业环境,需要巨额投入,也需要大量技术人才。这些,都是没有办法一蹴而就的。 

  从我国半导体行业协会的统计来看,2016年我国集成电路产业销售额达4335.5亿元,比上年增长20.1%,这一增长速度算得上“高歌猛进”。不过,清华大学微电子所所长魏少军的看法是,这4000多亿元的销售额,还包括了在华外商的贡献。我们自身的能力还有限。根据判断,我国自己生产的集成电路,大约可以满足国内需求的1/4。 

  如果从技术水平上来看,我国最新的集成电路技术,跟国际上最新技术水平,还差了一代到两代。但叶甜春所长认为,纠结在这个最新技术的代际差异上,其实是一种误区,并没有太大意义。比如,如今依然在大量生产的55纳米、40纳米和28纳米芯片,进入市场已近10年,但它们并没有因为更小尺寸芯片的出现就退出历史舞台。 

  根据叶甜春所长介绍集成电路尺寸缩小速度确实很快,但并不是下一代对上一代的完全替代。每一代技术都有大约10年的生命周期。我国55、40、28纳米三代成套工艺已研发成功并实现量产,而更先进的22、14纳米先导技术在研发上也取得突破,形成了自主知识产权。所谓赶超,也无需要求在各个领域全面超越,只要我国的集成电路能够支撑我国信息化和智能化的发展就可以 

  站在新时代,我们回望微电子技术的发展,可以肯定的是,这场由晶体管开启的信息技术变革,将会更深、更广地重塑人类社会。未来,芯片的重要性也将会呈现不断增长的趋势。在集成电路技术领域,我们有了“战”的能力,虽然能力有限,但和以前相比,大不一样了。用叶甜春的一句话说,天时地利人和,没有理由超不过别人,这只是时间早晚的问题。她常说到一个词,叫做“传承”。的确,正是因为一代又一代半导体科研人员的砥砺前行,才有了我国在微电子技术上的新局面。 

  好了,今天的科学故事我们就先讲到这里。获取更多精彩内容,您可以在手机微信客户端搜索“feichangkexue”的拼音关注我们。下期节目再见。 


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